困擾物理學家近百年的宇宙學常數——愛因斯坦最大失誤或被更正?

2021-01-16 天文在線

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宇宙學常數困擾著物理學家一個多世紀。

物理學中有一個基本問題。

一個稱為宇宙常數的數字將量子力學的微觀世界和愛因斯坦的廣義相對論的宏觀世界聯繫起來。 但是，兩種理論都無法就其價值達成共識。

實際上，該常數的觀測值與理論預測的值之間存在巨大差異，該理論被廣泛認為是物理學史上最糟糕的預測。 解決差異可能是本世紀理論物理學的最重要目標。

星系彎曲時空結構（綠色）和暗能量（紫色）的平滑效果示圖（主導了重力效應。）

瑞士日內瓦大學理論物理學助理教授盧卡斯·洛姆布裡瑟（Lucas Lombriser）提出了一種新的評估愛因斯坦引力方程的方法，以找到與觀測值緊密匹配的宇宙常數值。 他在《 Physics Letters B》雜誌上在線發表了他的方法。

愛因斯坦最大的失誤是如何變成暗能量的

關於宇宙常數的故事始於一個多世紀以前，當時愛因斯坦提出了一組方程，現在稱為愛因斯坦場方程，成為他的廣義相對論的框架。 這些方程式解釋了物質和能量如何扭曲空間和時間的結構以產生重力。 當時，愛因斯坦和天文學家都同意，宇宙的大小是固定的，並且星系之間的整體空間沒有改變。 但是，當愛因斯坦將廣義相對論應用於整個宇宙時，他的理論預測到一個不穩定的宇宙會膨脹或收縮。 為了迫使宇宙靜止，愛因斯坦加入了宇宙常數。

近十年後，另一位物理學家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）發現我們的宇宙不是靜止的，而是在膨脹的。 來自遙遠星系的光線表明它們都彼此遠離。 這個發現說服了愛因斯坦放棄了他的場方程中的宇宙常數，因為它不再需要解釋一個不斷擴大的宇宙。 關於物理學的傳說是，愛因斯坦後來承認，他對宇宙常數的介紹可能是他最大的錯誤。

1998年，對遙遠超新星的觀測表明，宇宙不僅在膨脹，而且還在加速膨脹。 星系正在彼此加速，好像某種未知的力正在克服重力並將這些星系推開一樣。 物理學家稱這種神秘現象為暗能量，因為其真實性質仍然是個謎。

具有諷刺意味的是，物理學家再次將宇宙常數重新引入愛因斯坦的場方程中，以解釋暗能量。在稱為ΛCDM（Lambda CDM）的當前宇宙學標準模型中，宇宙常數可與暗能量互換。天文學家甚至根據遙遠的超新星的觀測和宇宙微波背景的波動來估算其價值。儘管該值非常小（每平方米10 ^ -52的數量級），但在整個宇宙範圍內，它的意義足以解釋空間的加速膨脹。

倫勃裡瑟說：「宇宙學常數（或暗能量）目前約佔宇宙能量的70％，這是我們從觀察到的宇宙加速膨脹中可以推斷出的。但是，這一常數尚無法理解。」 。 「嘗試解釋它的嘗試失敗了，在我們如何理解宇宙方面似乎缺少一些基本的東西。揭開這個難題是現代物理學的主要研究領域之一。人們普遍預計解決這個問題可能會導致讓我們對物理學有了更基本的了解。」

物理學史上最糟糕的理論預測

人們認為宇宙常數代表物理學家所說的「真空能」。量子場論指出，即使在完全空的空間真空中，虛擬粒子也會突然出現並脫離存在並產生能量，這似乎是荒謬的，但已經通過實驗觀察到了。當物理學家試圖計算其對宇宙常數的貢獻時，就會出現問題。他們的結果與觀察結果的不同之處在於令人難以置信的10 ^ 121（即10後跟120個零），這是所有物理學中理論與實驗之間最大的差異。

這種差異使一些物理學家懷疑愛因斯坦的原始引力方程。有些甚至提出了替代性的引力模型。但是，雷射幹涉儀引力波天文臺（LIGO）產生的引力波的進一步證據僅增強了廣義相對論，並摒棄了許多其他可供選擇的理論。這就是為什麼Lombriser不用重新考慮重力，而是採用了不同的方法來解決這個宇宙難題。

「我提出的機制不會修改愛因斯坦的場方程，」倫勃裡瑟說。相反，「它在愛因斯坦的場方程之上添加了一個附加方程。」

引力常數最早用於艾薩克·牛頓的引力定律中，現在是愛因斯坦場方程的重要組成部分，它描述了物體之間引力的大小。它被認為是物理學的基本常數之一，自宇宙開始以來就永遠不變。 Lombriser做出了一個戲劇性的假設，即該常數可以更改。

在隆伯瑞斯（Lombriser）對廣義相對論的修改中，引力常數在我們可觀測的宇宙中保持不變，但可能會有所變化。他提出了一個多宇宙的場景，其中可能存在我們看不見的宇宙斑塊，它們的基本常數值不同。

引力的這種變化為Lombriser提供了一個附加方程，該方程將宇宙常數與整個時空中物質的平均和聯繫起來。在他考慮了宇宙中所有星系，恆星和暗物質的估計質量之後，他可以求解該新方程，從而獲得宇宙常數的新值-一個與觀測值非常吻合的值。

他使用一個新的參數ΩΛ（ωλ）來表達由暗物質構成的宇宙的一部分，他發現宇宙大約由74％的暗能量組成。這個數字與觀察到的68.5％的值非常接近-大大超過了量子場論所發現的巨大差距。

儘管Lombriser的框架可能會解決宇宙常數問題，但目前尚無測試方法。但是將來，如果其他理論的實驗驗證他的方程式，那可能意味著我們對暗能量的理解有了重大飛躍，並提供了解決其他宇宙奧秘的工具。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

translate:雨叮咚

author:Tim Childers

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